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第六章山岩压力与围岩稳定性,6.1 概述,6.6 弹塑性理论,6.2 山岩压力的形成及其影响因素,6.4 压力拱理论,6.5 太沙基理论,6.3 坚硬岩体的应力和稳定验算,6.7 地质分析法计算山岩压力,6.8 喷锚支护原理和设计原则,1,6.1 概述,上一章讨论的洞室围岩压力是研究围岩稳定性和洞室安全的基础。,2,6.1 概述,K0=0,3,6.1 概述,4,6.1 概述,从该章可知，在岩体内开挖洞室以后，岩体的原始平衡状态被破坏，发生应力重分布。随着应力的重分布，围岩不断变形并向洞室逐渐位移。,5,6.1 概述,(1) “冒顶”等围岩破坏现象,一些强度较低的岩石由于应力达到强度的极限值而破坏，产生裂缝或剪切位移，破坏了的岩石在重力作用下甚至大量塌落，造成所谓“冒顶”现象。,6,6.1 概述,“冒顶”现象在节理、裂隙等软弱结构面发育的岩石更为显著。,7,6.1 概述,为了保证围岩的稳定以及地下洞室结构的安全，常常必须在洞室中进行必要的支护与衬砌，目的是约束围岩的破坏和变形的继续扩展。,同时，我们要知道并不是所有洞室都要进行支护与衬砌，对于岩石较好，地质条件简单的情况不需要进行支护与衬砌；而相反则是非进行支护与衬砌不可得的。,(2) 地下洞室开挖时需要解决的问题,8,6.1 概述,进行地下洞室设计和施工时，需要解决的问题：,洞室开挖后要不要支护与衬砌？,若需要支护与衬砌，则岩石对支护或衬砌的压力有多大？,如果不进行支护与衬砌，洞室是否稳定？洞室顶部的岩石会不会坍落？洞室侧面岩石会不会倒下？,9,（2）支护与衬砌的定义,6.1 概述,衬砌指的是为防止围岩变形或坍塌，沿隧道洞身周边用钢筋混凝土等材料修建的永久性支护结构。,拱,边墙,仰拱,隧道衬砌结构,10,（3）支护与衬砌,6.1 概述,衬砌技术通常是应用于隧道工程、水利渠道中。,11,（3）支护与衬砌的形式,6.1 概述,衬砌简单说来就是内衬，常见的就是用砌块衬砌，可以是预应力高压灌浆素混凝土衬砌。,12,6.1 概述,二次衬砌是隧道工程施工在初期支护内侧施作的模筑混凝土或钢筋混凝土衬砌，与初期支护共同组成复合式衬砌。,（3）支护与衬砌的形式,13,车载混凝土输送泵在隧道内进行二次衬砌浇筑施工。,14,6.1 概述,（3）支护与衬砌的形式,15,16,6.1 概述,17,6.1 概述,18,19,20,6.1 概述,（4）山岩压力的定义,在水工建设中，把由于洞室围岩的变形和破坏而作用在支护或衬砌上的压力，称为山岩压力。 山岩压力包括松动压力和变形压力。,21,有的书上也将这种压力称为“地层压力”，“围岩压力”，“地压”，“岩石压力”，都是与山岩压力同一个意思。,（4）山岩压力的定义,6.1 概述,22,6.1 概述,23,支护的作用：1 承担坍落岩块的重量（松动压力）； 2 限制围岩变形（形变压力）,6.1 概述,24,6.1 概述,（5）山岩压力和支护与衬砌的设计,根据山岩压力的实际情况合理的设计支护和衬砌，达到安全和合理利用资源的目的。,25,26,6.2 山岩压力的形成及其影响因素,(1) 山岩压力的形成,山岩压力的形成是与洞室开挖后岩体的变形、松动和破坏分不开的。,通常将由于岩体变形而对支护或衬砌给予的压力，称为变形压力；将岩体破坏和松动对支护或衬砌造成的压力，称为松动压力。,变形量的大小以及破坏程度的强弱就决定着山岩压力的大小。,27,在不同性质的岩石中，由于它们的变形和破坏性质不同，所以产生山岩压力的主导因素也就不同，通常可以遇到下列三种情况。,6.2 山岩压力的形成及其影响因素,(1) 山岩压力的形成,28,6.2 山岩压力的形成及其影响因素,1）在整体性良好、裂隙节理不发育的坚硬岩石中，洞室围岩的应力一般总是小于岩石的强度。因此，岩石只有弹性变形而无塑性变形，岩石没有破坏和松动。,29,如果在开挖完成后进行支护或衬砌，则这时支护上没有山岩压力。在这种岩石中的洞室支护主要用来防止岩石的风化以及剥落碎块的掉落。,30,6.2 山岩压力的形成及其影响因素,2）在中等质量的岩石中，洞室围岩的变形较大，不仅有弹性变形，而且还有塑性变形，少量岩石破碎。由于洞室围岩的应力重分布需要一定的时间，所以在进行支护或衬砌以后围岩的变形受到支护或衬砌的约束，于是就产生山岩压力。,31,因此，支护的浇筑时间和结构刚度对山岩压力影响较大。在这类岩石中，山岩压力主要是由较大的变形所引起，岩石的松动坍落甚小，这类岩石中主要是产生“变形压力”。,6.2 山岩压力的形成及其影响因素,32,6.2 山岩压力的形成及其影响因素,3）在破碎和软弱岩石中，由于裂隙纵横切割，岩体强度很低，围岩应力超过岩体强度很多。在这类岩石中，坍落和松动是产生山岩压力的主要因素，而松动压力是主要的山岩压力。,33,6.2 山岩压力的形成及其影响因素,当没有支护或衬砌时，岩石的破坏范围可能逐渐扩大发展，故需要立即进行支护或衬砌。支护或衬砌的作用主要是支承坍落岩块的重量，并阻止岩体继续变形、松动和破坏。,34,6.2 山岩压力的形成及其影响因素,（2）影响山岩压力的因素,主要因素：岩石的性质。,岩石的性质是判断有无山岩压力及山岩压力类型的主要因素。,岩石的性质可以用岩体结构类型来进行分类。,35,6.2 山岩压力的形成及其影响因素,对山岩压力的影响的其它因素主要有：,1)洞室的形状和大小：洞室形状对于围岩应力分布会产生影响，同样，洞室的形状对山岩压力的大小也有影响。,36,37,2)地质构造：地质构造对于围岩的稳定性及山岩压力的大小起着重要影响。,6.2 山岩压力的形成及其影响因素,38,6.2 山岩压力的形成及其影响因素,地质构造简单、地层完整、无软弱结构面，围岩就稳定，山岩压力也就小。,目前，有关围岩的分类和山岩压力的经验公式大都建立在这一基础上的。,39,40,6.2 山岩压力的形成及其影响因素,3)支护的型式和刚度：山岩压力有松动压力和变形压力之分。,当松动压力作用时，支护的作用就是承受松动岩体或塌落岩体的重量，支护主要是承载作用。,41,当变形压力作用时，它的作用主要是限制围岩的变形，以维持围岩的稳定，也就是支护主要起约束作用。,6.2 山岩压力的形成及其影响因素,42,43,6.2 山岩压力的形成及其影响因素,支护形式,外部支护/普通支护/老式支护,内承支护/自承支护,外部支护的作用：作用在围岩的外部，依靠支护结构成的承载能力来承受山岩压力。,44,6.2 山岩压力的形成及其影响因素,支护形式,外部支护/普通支护/老式支护,内承支护/自承支护,自承支护的作用：是通过化学灌浆或水泥灌浆、锚杆支护、预应力锚杆支护和喷混凝土支护等方式，加固围岩，使围岩处于稳定状态。这种支护的特点是依靠增加围岩的自承作用来稳固洞室，一般可能比较经济。,45,外部支护在与岩石紧密接合或者回填密实的情况下，这种支护也能起到限制围岩变形、维持围岩稳定的作用。,46,外部支护,6.2 山岩压力的形成及其影响因素,47,自承支护：特点是依靠增加围岩的自承作用来稳固洞室，一般可能比较经济。,48,6.2 山岩压力的形成及其影响因素,支护的刚度和支护时间的早晚(即洞室开挖后围岩暴露时间的长短)都对山岩压力有较大的影响。,49,洞室开挖后，围岩就产生变形(弹性变形和塑性变形)，根据研究，在一定的变形范围内，支护上的山岩压力是随着支护以前围岩的变形量增加减少的。,6.2 山岩压力的形成及其影响因素,50,目前常常采用薄层混凝土支护或具有一定柔性的外部支护，都能够充分利用围岩的自承能力，以减少支护上山岩压力的目的。,6.2 山岩压力的形成及其影响因素,51,支护的刚度愈大，则允许的变形就愈小，山岩压力就愈大；反之山岩压力愈小。,52,6.2 山岩压力的形成及其影响因素,4)洞室深度 洞室深度与山岩压力的关系目前仍有各种说法。,但当围岩中出现塑性区时，洞室的埋置深度应当对山岩压力有影响。这是由于埋置深度对围岩的应力分布有影响，同时对初始侧压力系数 也有影响，从而对塑性区的形状和大小以及山岩压力的大小均有影响。,一般说来，当围岩处于弹性状态时，山岩压力不应当与洞室的埋深有关。,53,6.2 山岩压力的形成及其影响因素,研究指明，当围岩处于塑性变形状态时，洞室埋置愈深，山岩压力也就愈大。 深洞室的围岩通常处于高压塑性状态，所以它的山岩压力随着深度的增加而增加，在这种情况下宜采用柔性较大的支护，以发挥围岩的自承作用，降低山岩压力。,54,5)时间：由于山岩压力主要是由于岩体的变形和破坏而造成的，而岩体的变形和破坏都有一个时间过程，所以山岩压力一般都与时间有关。,6.2 山岩压力的形成及其影响因素,55,56,6)施工方法：山岩压力的大小与洞室的施工方法和施工速率也有较大关系。,6.2 山岩压力的形成及其影响因素,施工方法主要是指掘进的方法。在岩体较差的地层中，如采用钻眼爆破，尤其是放大炮，或采用高强度的炸药，都会引起围岩的破碎而增加山岩压力。用凿岩机掘进，光面爆破，减少超挖量，采用合理的施工方法可以降低山岩压力。,57,在易风化的岩层(例如，泥灰岩、片岩、页岩等)中，需加快施工速度和迅速进行衬砌，以便尽可能地减少这些地层与水的接触，减轻它们的风化过程，避免山岩压力增长。,6.2 山岩压力的形成及其影响因素,58,6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算,(1) 岩石的性质导致山岩压力分为三种情况,1) 在整体性良好、裂隙节理不发育的坚硬岩石中，洞室围岩的应力一般总是小于岩石的强度。此时支护上没有山岩压力。,59,60,洞室支护或衬砌的目的：用来防止岩石的风化以及剥落碎块的掉落。,喷混凝土衬砌,61,62,2) 在中等质量的岩石中，洞室围岩的变形较大，不仅有弹性变形，而且还有塑性变形，少量岩石破碎。山岩压力主要是由较大的变形所引起，属于“变形压力”。,(1) 岩石的性质导致山岩压力分为三种情况,6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算,支护或衬砌的目的：主要是限制围岩的变形，以维持围岩的稳定，也就是支护主要起约束作用。,63,隧道钢拱架支撑,64,3) 在破碎和软弱岩石中，由于裂隙纵横切割，岩体强度很低，围岩应力超过岩体强度很多。在这类岩石中，坍落和松动是产生山岩压力的主要因素，山岩压力主要属于“松动压力”。,(1) 岩石的性质导致山岩压力分为三种情况,6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算,支护或衬砌的目的：承受松动岩体或塌落岩体的重量，支护主要起承载作用。,65,支护或衬砌的目的：承受松动岩体或塌落岩体的重量，支护主要起承载作用。,66,6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算,(2) 坚硬岩体的应力和稳定演算,对于整体性良好的坚硬岩体来说，由于其节理裂隙不发育，强度较大，无塑性变形，且弹性变形迅速完成，所以假定岩体是均匀的、各向同性的连续介质弹性体。,1) 计算假定,洞室稳定性验算：验算洞室边界上的切向应力是否超过岩体强度即可，一般不需要计算山岩压力。,67,2) 计算公式,对于洞室岩体属于整体性良好的坚硬岩体来说，需演算：,式中 洞室边界上的切向应力(MPa)；,Rc岩石的许可抗压强度(MPa)。,6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算,68,如果洞室边界的切向应力是拉应力，则在演算时应当满足下列条件：,式中 -Rt岩石的许可抗拉强度(MPa)。,6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算,69,3) 岩石的许可强度分类,考虑到长期荷载下洞室围岩的强度可能降低。因此，岩石的许可抗压强度一般采用下列数值：,对于无裂隙的坚硬围岩 Rc=0.6Rc,对于有裂隙的坚硬围岩 Rc=0.5Rc,式中 Rc岩块单轴湿抗压强度(MPa)。,岩石的许可抗拉强度公式和上面的公式类似。,6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算,70,4) 隧道(巷道断面)分类,按构成的轮廓线分两种： 折线型：矩形、梯形、不规则形； 曲线型：直墙拱形(如三心拱形、半圆拱形、圆弧拱形)以及封闭拱形、椭圆形、圆形等。见下图所示。,6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算,巷道断面,71,6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算,5) 直墙拱形洞室切向应力近似计算公式,直墙拱形洞室没有现成的计算公式，当洞室的高跨比h0/B（h0为洞的高度；B为洞的跨度）在0.67 1.5范围之内时，近似为椭圆形断面计算。具体计算公式为：,拱顶的切向应力,72,6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算,5) 直墙拱形洞室切向应力近似计算公式,拱脚的切向应力,计算点的初始垂直应力(MPa)，假定P0=H，为岩体 容重，H为洞室的埋置深度；,岩石的泊松比；,a洞室跨度之半(m)；,b洞室高度之半(m) 。,式中,p0,73,6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算,例题6-1：某花岗岩体，完整性良好，单轴抗压强度Rc=100MPa。在岩体内开挖直墙拱顶洞室，洞的跨度B=12m，洞高h0=16m，洞埋深H=220m，岩石的重度=27kN/m3，试问围岩的稳定性如何？,直墙拱形洞室,椭圆形洞室,74,6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算,解 （a）将洞室看作椭圆形，并假定 。,拱顶的切向应力：,拱脚的切向应力：,岩石的许可强度：,由此，Rc比大得多，所以岩石处于弹性状态，是稳定的。,75,6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算,（b）将洞室看作圆形，并假定 k0=1 。,所以按照圆形洞室计算也是可以的，无山岩压力。,76,6.4 压力拱理论,洞室开挖以后，由于围岩应力重新分布，洞室顶部往往出现拉应力。如果这些拉应力超过岩石的抗拉强度，则顶部岩石破坏，一部分岩块失去平衡而随着时间向下逐渐坍落。,77,6.4 压力拱理论,根据大量观察和散粒体的模型试验证明，这种坍落不是无止境的，坍落到一定程度后，就不再继续坍落，岩体进入新的平衡状态。,人们把这个自然平衡拱称为压力拱或坍落拱。,78,6.4 压力拱理论,根据观察结果，新的平衡界面形状近似于一个拱形，如图6-5中的AOB所示。,79,实际上，洞室开挖以后，顶部岩石往往需要一定的时间才能形成压力拱，而实际施工并不等待压力拱形成后再浇筑衬砌，所以作用于衬砌上的垂直山岩压力就可以认为是压力拱与衬砌之间的岩石的重量，而与拱外岩体无关。,6.4 压力拱理论,因此，正确确定压力拱的形状，就成为计算山岩压力的关键。,80,6.4 压力拱理论,(1) 压力拱理论的假说,目前，关于推求压力拱形状方面有着不同的假设。由于假设不同，所求出的山岩压力也就不同。 过去常常采用普罗托奇耶柯诺夫的压力拱理论，即简称普氏压力拱理论。,81,82,6.4 压力拱理论,普氏认为，岩体内总是有许多大大小小的裂隙、层理、节理等软弱结构面的。由于这些纵横交错的软弱面，将岩体割裂成各种大小的块体，这就破坏了岩体的整体性，造成松动性。被软弱面割裂而成的块体与整个地层相比起来它们的几何尺寸较小。 因此，可以把洞室周围的岩石看作是没有凝聚力的大块散粒体。,(1) 压力拱理论的假说,83,散粒体,破碎岩体,84,但是，实际上岩石是有凝聚力的。因此，就用增大内摩擦系数的方法来补偿这一因素。这个增大了的内摩擦系数称为岩石的坚固系数，用fK表示。,6.4 压力拱理论,压力拱理论一般适用于破碎性较大的岩石的山岩压力的计算。这个理论也适用于土中山岩压力的计算。计算的压力属于松动压力。,假定条件：岩体为散粒体，没有粘聚力。,岩体的粘聚力采用增大的内摩擦系数来补偿。,适用范围：松动压力,85,6.4 压力拱理论,原岩体的抗剪强度,把岩体看作是散粒体,86,6.4 压力拱理论,对于有凝聚力的岩石,对于砂土及其它松散材料,87,6.4 压力拱理论,对于整体性岩石，可用经验公式：,Rc岩石的单轴极限抗压强度(MPa)。,88,6.4 压力拱理论,压力拱跨度：,k 换算内摩擦角,89,(2) 垂直山岩压力,6.4 压力拱理论,由于假定岩体为散粒体，它的抗拉、抗弯能力很小。,最稳定条件：沿着拱的切线方向仅作用有压力。,90,6.4 压力拱理论,(2) 垂直山岩压力,取压力拱的一半OA作为研究对象，考察OM段的平衡。,91,6.4 压力拱理论,所有的力对拱的任何点M的力矩应当等于零。,92,6.4 压力拱理论,式中 x，yM点的坐标(m)；,T拱顶切向压力(水平推力)(MPa)。,（6-2）,93,6.4 压力拱理论,（6-3）,A点坐标带入，得到,94,6.4 压力拱理论,设A点的切向反力为S，其水平分力为F，垂直分力为V。所考虑的半拱的力的平衡条件为：,可得V=pb2,可得T=F,95,6.4 压力拱理论,F为岩石对拱向外移动的摩阻力，在极限状态下有：,对于压力拱来说，处于极限平衡状态是不安全的，通常取：,（6-4）,（6-5）,一般来说，只取最大摩阻力的一半，即,（6-6）,96,6.4 压力拱理论,将式（6-6）带入（6-3）,（6-7）,由式（6-2）、 （6-3）以及（6-7）可得压力拱任何点的纵坐标,（6-8）,97,6.4 压力拱理论,洞室顶部最大压力在拱轴线上，等于：,或者,（6-9）,98,洞室任何其它点的垂直压力等于：,（6-10）,6.4 压力拱理论,99,6.4 压力拱理论,(3) 侧向山岩压力,洞室顶面高程处的单位面积侧向压力为：,（6-11）,100,6.4 压力拱理论,洞室底面高程处的单位面积侧向压力为：,这里,（6-12）,101,6.4 压力拱理论,总的侧向山岩压力：,（6-13）,102,6.4 压力拱理论,(4) 压力拱理论的适用条件,洞室上方有足够的厚度且有相当稳定的岩体。,以下情况不能使用压力拱理论：,1） 岩石的fk0.8，洞室埋置深度H小于2倍压力拱或2.5倍压力拱跨度。,103,6.4 压力拱理论,2）用明挖法建造的地下结构。,104,6.4 压力拱理论,3）fk0.3的土。例如淤泥、粉砂、饱和软粘土等，由于不能形成压力拱，所以不可用压力拱理论。,105,6.5 太沙基理论,(1) 假定条件,太沙基理论假定岩石为散粒体，并具有一定的凝聚力。,(2) 适用范围,以松动压力为主的岩体，也适用于一般的土体。,106,6.5 太沙基理论,(3) 用太沙基理论计算山岩压力,1) 没有形成破裂面的情形,形成垂直滑动面 和 ，其上的抗剪强度为,107,6.5 太沙基理论,108,6.5 太沙基理论,岩石容重为，地面上作用强度为P的均布荷载，任何深度的垂直应力为z ，相应的水平应力为,式中 K0 岩石的侧压力系数。,109,6.5 太沙基理论,今在表面以下z深度处，在 岩柱 中取厚度为dz的薄层进行分析。薄层的重量等于 (以垂直图形平面的单位长度计)。,110,6.5 太沙基理论,根据作用在薄层上的垂直力之和等于零这个条件，可以写出下列方程式。,经过整理后，得：,111,6.5 太沙基理论,解这个微分方程式，并考虑到边界条件：当z=0 时， ，最后得：,令上式中的z=H ，即得到洞室顶面的垂直山岩压力q：,112,6.5 太沙基理论,这个公式对深埋洞室和浅埋洞室都适用。当洞室为深埋时，可令 ，得：,113,6.5 太沙基理论,当 时,114,6.6 弹塑性理论,（1）基本概念,弹塑性理论假定条件：均质、连续、各向同性。,当岩体的静止侧压力系数 时，洞室边界上的应力分量为,这里,115,6.6 弹塑性理论,图6-10 围岩内的弹塑性应力分布,116,6.6 弹塑性理论,图6-11 洞壁位移与时间的关系,117,
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